Actividad 2 Mendez Espinosa Yolanda Yareni Materiales de La Ingenieria

8/16/2019 Actividad 2 Mendez Espinosa Yolanda Yareni Materiales de La Ingenieria

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

Instituto Tecnológico de Comitán

Índice

Introducción…………………………..---…………………………….…………………………. 1Materiales De La Ingeniería…………………………………………..………………………. 2

Conclusión………………………………………………………………………………………. 55

Bibliografía….……………………………………………………………………………….….. 56


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Introducción

Como ya sabemos esta es la materia de “Propiedades De Los Materiales”, peroaplicado a la ingeniería podemos encontrar las aplicaciones que estos materiales

pueden tener, por ejemplo encontramos a los metales que es bastante complejo

hablar de un metal tiene características que lo distinguen de otros materiales por

ejemplo son buenos conductores de la electricidad y el calor, también

encontramos los cerámicos que son muy buenos aislantes. Un ejemplo claro de

polímeros son los plásticos.


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Materiales De La Ingeniería

Primeramente empezare hablando de los metales, ¿Qué es un metal? Un cuerposimple, generalmente sólido a temperatura ambiente, que es buen conductor delcalor y de la electricidad y que tiene un brillo característico; se emplea, a menudoen aleación con otro metal, en la fabricación de numerosos objetos.

Los metales tienen propiedades únicas que lo hacen especial y de aquí podemosnotar la importancia comercial que tienen los metales:

Rigidez y resistenc ia elevadas . Los metales pueden alearse para darlesrigidez, resistencia y dureza elevadas; se les utiliza para que proporcionenel marco estructural para la mayor parte de productos de la ingeniería.

Tenacidad . Los metales tienen la capacidad de absorber energía mejor queotras clases de materiales.

Con du ctiv idad eléctr ica bu ena . Los metales son conductores debido a suenlace metálico, que permite el movimiento libre de los electrones comotransportadores de carga.

Con du ctiv idad térm ica bu ena . Los enlaces metálicos también explicanpor qué los metales generalmente conducen el calor mejor que loscerámicos y los polímeros. Además, ciertos metales tienen propiedades

específicas que los hace atractivos para aplicaciones especializadas.Muchos metales comunes se hallan disponibles a un costo relativa mentebajo por peso unitario, y sólo por esta razón con frecuencia son el materialseleccionado.

Los metales se convierten en piezas y productos que conllevan una variedad deprocesos de manufactura. La forma inicial de los metales difiere, lo que dependedel proceso.Las categorías principales son: 1) metal fundid o , en la que la forma inicial es unapieza fundida; 2) metal for jado , en la que el metal ha sido trabajado o puede serlo(por ejemplo, rolado u otro modo de darle forma) después de la fundición; en

general, en comparación con los fundidos, a los metales forjados se les asocianpropiedades mecánicas mejores; y 3) metal p ulver izado , en la que el metal esadquirido en forma de polvos muy finos para convertirlo en piezas por medio de


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técnicas metalúrgicas especiales para ello. La mayor parte de los metales seencuentra disponible en las tres formas. En este capítulo, el estudio se centrará en

las categorías 1) y 2), que son las de mayor interés comercial y para la ingeniería.En el capítulo 16 se examinan las técnicas metalúrgicas para polvos.

Los metales se clasifican en dos grupos principales: 1) ferrosos, los que se basanen el hierro, y 2) no ferrosos, todos los demás. El grupo de los ferrosos puedesubdividirse en aceros y tipos de hierro colado. La mayor parte de este capítuloestará organizado alrededor de esta clasificación, pero primero se verá el temageneral de las aleaciones y los diagramas de fase.

Ay que comprender términos como Aleación, Una aleación es un metal compuestode dos o más elementos, al menos uno de los cuales es metálico.

Las dos categorías principales de aleaciones son 1) soluciones sólidas, y 2) fasesintermedias. Soluciones sólidas Una solución sólida es una aleación en la que unelemento se disuelve en otro para formar una estructura de fase única. El términofase describe una masa homogénea de material, como la de un metal en el quetodos los granos tienen la misma estructura reticular cristalina. En una soluciónsólida, el solvente o elemento base es metálico, y el elemento disuelto puede sermetálico o no metálico. Las soluciones sólidas vienen en dos formas, que seilustran en la figura 6.1. La primera es una solución sólida sustitucional, en la quelos átomos del elemento solvente son remplazados en su celda unitaria por elelemento disuelto. El latón es un ejemplo de esto, en el que el zinc está disuelto

en cobre. Para hacer la sustitución deben satisfacerse muchas reglas ([2], [5], [6]):1) el radio atómico de los dos elementos debe ser similar, por lo general dentro deun 15%; 2) sus tipos de retículas deben ser las mismas; 3) si los elementos tienenvalencias diferentes, es más probable que el metal de valencia menor sea elsolvente; y 4) si los elementos tienen afinidad química elevada uno por el otro, esmenos probable que formen una solución sólida y más que constituyan uncompuesto.

El segundo tipo de solución sólida es la solución sólida intersticial, en la que losátomos del elemento solvente se acomodan en los espacios vacíos entre losátomos del metal base, en la estructura reticular. Se desprende que los átomos

que quedan en esos intersticios deben ser pequeños en comparación con los delmetal solvente. El ejemplo más importante de este segundo tipo de aleación es elcarbono disuelto en hierro para formar acero. En ambas formas de la solución


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sólida, por lo general la estructura aleada es más fuerte y dura que cualquiera delos elementos que la componen.

Como se utiliza en este texto, el término diagrama de fase es un medio gráfico derepresentar las fases de un sistema de aleación metálica como una función de lacomposición y la temperatura.

¿Qué es un diagrama de Fase? El análisis del diagrama se limitará a sistemas dealeaciones que consisten en dos elementos a presiones atmosféricas. Este tipo dediagrama se denomina diagrama de fase binaria. En otros textos sobre la cienciade los materiales se estudian otras formas de los diagramas de fase.

En este tema también se puede resaltar los metales ferrosos Los metales ferrososse basan en el hierro, uno de los metales más antiguamente conocidos por elhombre (véase la nota histórica 6.1). Las propiedades y otros datos relacionadoscon el hierro se presentan en la tabla 6.1a). Los metales ferrosos de importanciaen la ingeniería son aleaciones de hierro y carbono. Se dividen en dos grupos

principales: acero y hierro fundido. Juntos constituyen aproximadamente el 85%de las toneladas de metal en Estados Unidos [5]. Se comenzará el estudio de losmetales ferrosos con el examen del diagrama de fase hierro-carbono.

FIGURA 6.1 Dos formas de soluciones sólidas:a) solución sólida sustitucional, y b) soluciónsólida intersticial.


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Nota h istórica 6.1 Hierro y acero

El hierro se descubrió en algún momentodurante la Edad de Bronce. Es probable que sehaya encontrado entre las cenizas de lasfogatas hechas cerca de depósitos de mineralde hierro. El uso del metal creció hasta quefinalmente sobrepasó al bronce en importancia.Por lo general se afirma que la Edad de Hierrodata de alrededor de 1200 a.C., aunque se hanencontrado artefactos hechos de hierro en lagran pirámide de Gizeh, en Egipto, que data de2900 a.C.En Israel se han encontrado calderas parafundir hierro que se remontan a 1300 a.C. En laantigua Asiria (norte de Irak) se fabricabancarros, espadas y herramientas de hierroalrededor del año 1000 a.C. Los romanosheredaron el trabajo del hierro de susprovincias, sobre todo de Grecia, yperfeccionaron la tecnología para quealcanzara niveles nuevos, difundiéndola porEuropa. Las civilizaciones antiguas aprendieronque el hierro era más duro que el bronce yadoptaba un filo más agudo y fuerte. Durante laEdad Media, en Europa, la invención del cañóncreó la primera demanda real de hierro; sóloentonces superó por fin en uso al cobre ybronce. Asimismo, la estufa de hierro fundido,

aparato de los siglos XVII y XVIII, incrementóde manera significativa la demanda de hierro(véase la nota histórica 11.3).En el siglo XIX, industrias tales como laferroviaria, naviera, construcción, maquinaria ymilitar, generaron un crecimiento impresionantede la demanda de hierro y acero en Europa y elContinente Americano. Aunque podíanproducirse cantidades grandes de arrabio(crudo) por medio de altos hornos, el procesosubsecuente para producir hierro forjado yacero era lento. La necesidad de mejorar la

productividad de estos metales vitales fue la“madre de la invención”. En Inglaterra, HenryBessemer inventó el proceso de soplar aire através del hierro fundido, lo que condujo alconvert idor Bessemer (patentado en 1856).En Francia, Pierre y Emile Martin construyeronel primer horno de hogar , abierto , en 1864.Estos métodos permitieron producir hasta 15toneladas en un solo lote (colada), incrementosustancial respecto de los métodos anteriores.En Estados Unidos, la expansión de losferrocarriles después de la Guerra Civil generóuna demanda enorme de acero. En las décadasde 1880 y 1890, se usaron por vez primeracantidades significativas de vigas de acero parala construcción. Los rascacielos se basaron enellas. Cuando se dispuso de electricidad enabundancia, hacia finales del siglo XIX, estafuente de energía se usó para fabricar acero. Elprimer ho rn o e léct ri co comercial para produciracero funcionó en Francia en 1899. Hacia 1920,se había convertido en el proceso principal parahacer aceros aleados. Justo antes de iniciar laSegunda Guerra Mundial comenzó el uso deoxígeno puro para fabricar acero en variospaíses europeos y en Estados Unidos. Despuésde la guerra, trabajos realizados en Austria

culminaron en la creación del horno deoxígeno básic o (BOF). Ésta se volvió latecnología moderna para producir acero, yalrededor de 1970 sobrepasó al método dehogar abierto. El convertidor Bessemer habíasido superado por el método de corazón abiertohacia 1920 y a partir de 1971 dejó


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El hierro, como producto comercial, se encuentra disponible con varios niveles depureza. El hierro electrolítico es el más puro, con cerca de 99.99%, se usa en

investigación y otros propósitos en los que se requiere al metal puro. El hierro delingote contiene alrededor de 0.1% de impurezas (inclusive cerca de 0.01% decarbono), y se usa en aplicaciones en las que se necesitan ductilidad o resistenciaa la corrosión elevadas.

El hierro forjado contiene un 3% de escoria pero muy poco carbono, y se le daforma con facilidad en operaciones de formado en caliente, como la forja. Loslímites de solubilidad del carbono en el hierro son bajos en la fase de ferrita, sólocerca de 0.022% a 723 ºC (1 333 ºF). En la de austenita puede disolverse cercade 2.1% de carbono a una temperatura de 1 130 ºC (2 066 ºF). Esta diferencia desolubilidades entre la alfa y la gama origina oportunidades para dar resistencia por

medio de tratamiento térmico, pero eso se deja para más adelante. Aun sintratamiento térmico, la resistencia del hierro se incrementa en forma notableconforme el contenido de carbono aumenta, y se ingresa a la región en la que elmetal toma el nombre de acero.

Con más precisión, el acero se define como una aleación de hierro-carbono quecontiene entre 0.02% y 2.1% de carbono; por supuesto, los aceros tambiénpueden contener otros elementos de aleación.

Además de las fases mencionadas, otra fase es notable en el sistema de laaleación hierro-carbono. Ésta es la del Fe3C, también llamada de cementita, que

es una fase intermedia: un compuesto metálico de hierro y carbono que es duro yfrágil. A temperatura ambiente y en condiciones de equilibrio, las aleaciones dehierro-carbono forman un sistema de dos fases con niveles de carbono apenas porarriba de cero. El contenido de carbono de los aceros varía entre esos nivelesbajos y cerca de 2.1%. Por arriba de 2.1% de C y hasta 4% o 5%, la aleación sedefine como hierro colado.

En la producción de hierro y acero podemos denotar el estudio de la producciónde hierro y acero comienza con los yacimientos de mineral de hierro y otrasmaterias primas que se requieren. Después se estudia la producción de hierro, enla que éste se reduce de los minerales, y la fabricación de acero, en la que se

refina para obtener la pureza y composición (aleación) que se desean. Luego seconsideran los procesos de fundición que se efectúan en la acería. Yacimientos dehierro y otras materias primas.


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El mineral principal que se usa para producir hierro y acero es la hematita(Fe2O3). Otros minerales de hierro son la magnetita (Fe3O4), siderita (FeCO3) y

la limonita (Fe2O3-xH2O) donde el valor de x es de alrededor de 1.5).

Los yacimientos de hierro contienen de 50% a alrededor de 70% de hierro, enfunción de su ley** (la hematita contiene casi 70% de hierro). Además, hoy día seutilizan mucho los desechos de hierro y acero para producir hierro y acero.

Otras materias primas necesarias para reducir hierro de las menas son el coque yla roca caliza. El coque es un combustible de carbono alto que se produce pormedio de calentar durante varias horas carbón bituminoso en una atmósferaescasa en oxígeno, para luego rociarle agua en torres de enfriamiento especiales.

El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción: 1) es uncombustible que suministra el calor para las reacciones químicas, y 2) producemonóxido de carbono (CO) para reducir el mineral de hierro. La caliza es una rocaque contiene proporciones grandes de carbonato de calcio (CaCO3). La caliza seutiliza en el proceso como fundente con el cual reaccionar y retirar las impurezastales como escoria del hierro fundido.

Fabricación de hierro Para producir hierro, se coloca una carga de mineral, coquey caliza en la parte superior de un alto horno. Un alto horno es una cámararefractaria recta con diámetro de 9 a 11 m (30 a 35 ft) en su parte más ancha, yaltura de 40 m (125 ft), en el que se fuerzan gases calientes dentro de la parte

baja de la cámara a tasas elevadas para llevar a cabo la combustión y reduccióndel hierro. En las figuras 6.5 y 6.6 se ilustran un alto horno común y algunos desus detalles técnicos. La carga desciende con lentitud desde la parte superior delhorno hacia su base y se calienta a temperaturas de alrededor de 1 650 ºC(3000ºF). La combustión del coque se lleva a cabo con gases calientes (CO, H2,CO2, H2O, N2, O2 y combustibles) que pasan hacia arriba a través de las capasde la carga de material.

El gas CO tiene un efecto reductor en el mineral de hierro; la reacción(simplificada) se escribe como sigue (se usa hematita como el mineral de inicio):Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2


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El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varíaentre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de

aleación: manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbonolo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de composiciones de acerodisponibles en el comercio. Aquí, para propósitos de organización se agrupan enlas categorías siguientes: 1) aceros al carbón simples, 2) aceros bajos dealeación, 3) aceros inoxidables y 4) aceros para herramientas.

Aceros al carbono Estos aceros contienen carbono como elemento principal de laaleación, y sólo pequeñas cantidades de otros elementos (lo normal es alrededorde 0.5% de manganeso). La resistencia de los aceros simples al carbono seincrementa con el contenido de éste; en la figura 6.12 se presenta una gráficacomún de esa relación. De acuerdo con un esquema de nomenclatura creado por

el American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers(SAE), los aceros simples al carbono se especifican por medio de un sistemanumérico de cuatro dígitos: 10XX, donde el 10 indica que el acero es al carbonosimple, y XX señala el porcentaje de carbono en centésimas de puntosporcentuales. Por ejemplo, un acero 1020 contiene 0.20% de C. Es común que losaceros simples al carbono se clasifiquen en tres grupos, de acuerdo con sucontenido de carbono:

1. Aceros al bajo carbono. Contienen menos del 0.20% de C y son por mucholos más utilizados. Las aplicaciones normales son en las piezasautomotrices de lámina, placa de acero para la fabricación y vías férreas.

Es relativamente fácil dar forma a estos aceros, lo cual los hace de uso muydifundido en aplicaciones que no requieren una resistencia elevada. Por logeneral, también los aceros fundidos caen en este rango de carbono.

2. Aceros al medio carbono. Su contenido de carbono varía entre 0.20% y0.50%, y se especifican para aplicaciones que requieren una resistenciamayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyencomponentes de maquinaria y piezas de motores tales como cigüeñales yrodillos de transmisión.

3. Aceros al alto carbono. Contienen carbono en cantidades superiores a

0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aúnmayores y también rigidez y dureza. Algunos ejemplos son resortes,herramientas y hojas de corte y piezas resistentes al desgaste.


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El contenido creciente de carbono da resistencia y dureza al acero, pero reduce suductilidad. Asimismo, los aceros al alto carbono pueden ser tratados para formar

martensita, lo que los hace muy duros y fuertes (véase la sección 27.2).

Aceros de baja aleación Son aleaciones de hierro−carbono que contienenelementos adicionales en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debidoa estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicassuperiores a las de los simples al carbono para aplicaciones dadas. Laspropiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, durezaen caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables deéstas. Es frecuente que se requiera tratamiento térmico para lograr propiedadesmejoradas. Los elementos comunes de aleación que se agregan al acero soncromo, manganeso, molibdeno, níquel y vanadio, a veces en forma individual pero

por lo general en combinaciones.

Es frecuente que estos elementos formen soluciones sólidas con hierro ycompuestos metálicos con carbono (carburos), lo que supone que hay suficientecarbono presente para efectuar la reacción. Los efectos de los ingredientesprincipales de la aleación se resumen como sigue:

El cromo (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste ydureza en caliente. Es uno de los ingredientes de aleación más eficacespara incrementar la templabilidad (véase la sección 27.2.3). Enproporciones significativas, el Cr mejora la resistencia a la corrosión.

El manganeso (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éstese encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento demanganeso. Debido a estos beneficios, el manganeso es un ingredienteque se usa mucho en las aleaciones de acero.

El molibdeno (Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. Tambiénmejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste.

El níquel (Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la durezapero no tanto como los otros elementos de las aleaciones del acero. En

cantidades significativas mejora la resistencia a la corrosión y es el otroingrediente principal (además del cromo) de ciertos tipos de aceroinoxidable.


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El vanadio (V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a

temperaturas elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero.También forma carburos que incrementan la resistencia al desgaste.

Aceros inoxidables Los aceros inoxidables constituyen un grupo de acerosaltamente aleados diseñados para proporcionar gran resistencia a la corrosión. Elelemento principal de la aleación del acero inoxidable es el cromo, por lo generalarriba del 15%. El cromo de la aleación forma una película de óxido impermeable,delgado, que en una atmósfera oxidante protege a la superficie de la corrosión. Elníquel es otro ingrediente de aleación que se emplea en ciertos aceros inoxidablespara incrementar la protección contra la corrosión. El carbono se utiliza para darresistencia y endurecer el metal; sin embargo, el contenido creciente de carbono

tiene el efecto de reducir la protección contra la corrosión debido a que el carburode cromo se forma para reducir la cantidad de Cr disponible en la aleación.

Además de la resistencia a la corrosión, los aceros inoxidables se destacan por sucombinación de resistencia y ductilidad. Aunque estas propiedades son deseablesen muchas aplicaciones, por lo general hacen a dichas aleaciones difíciles detrabajar en la manufactura.

Asimismo, los aceros inoxidables son significativamente más caros que los acerosal carbono o los de baja aleación.

Los aceros inoxidables se dividen por tradición en tres grupos que reciben sunombre por la fase predominante presente en la aleación a temperatura ambiente:

1. Inoxidables austeníticos. Su composición normal es de alrededor de 18%de Cr y 8% de Ni, y son los más resistentes a la corrosión de los tresgrupos. Debido a esa composición, a veces se les identifica comoinoxidable 18-8. No son magnéticos y son muy dúctiles, pero muestran unendurecimiento por trabajo significativo. El níquel tiene el efecto deagrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro-carbono, loque los hace estables a temperatura ambiente. Los aceros inoxidablesausteníticos se emplean para fabricar equipo de procesamiento químico y

de alimentos, así como piezas de maquinaria que requieren alta resistenciaa la corrosión.


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2. Inoxidables ferríticos. Contienen de 15% a 20% de cromo, poco carbono ynada de níquel. Esto produce una fase de ferrita a temperatura ambiente.

Los aceros inoxidables ferríticos son magnéticos y menos dúctiles yresistentes a la corrosión que los austeníticos. Las piezas fabricadas conellos van desde utensilios de cocina hasta componentes de motores areacción.

3. Inoxidables martensíticos. Tienen un contenido de carbono más elevadoque los ferríticos, lo que permite que se les dé resistencia por medio detratamiento térmico (véase la sección 27.2). Tienen hasta 18% de Cr peronada de Ni. Son fuertes, duros y resistentes a la fatiga, pero por lo generalno tan resistentes a la corrosión como los de los otros dos grupos. Losproductos más comunes incluyen instrumentos de corte y quirúrgicos. La

mayor parte de aceros inoxidables reciben su nombre con un esquema denumeración de la AISI, de tres dígitos. El primero indica el tipo general y losúltimos dos dan el grado específico dentro del tipo. La tabla 6.4 enlista losaceros inoxidables más comunes con sus composiciones normales ypropiedades mecánicas.

Los aceros inoxidables tradicionales se crearon a principios del siglo XX. Desdeentonces, se han creado varias aleaciones de acero que tienen buena resistenciaa la corrosión y otras propiedades deseables. Éstas también se clasifican comoaceros inoxidables; la lista continúa así:

4. Aceros inoxidables de precipi tac ión . Tienen una composición químicatípica de 17% de Cr y 7% de Ni, con cantidades pequeñas adicionales deelementos de aleación tales como aluminio, cobre, titanio y molibdeno. Lacaracterística que los distingue del resto de los inoxidables es que puedenfortalecerse por medio de endurecimiento por precipitación (véase lasección 27.3). A temperaturas elevadas mantienen su fuerza y resistencia ala corrosión, lo que hace que estas aleaciones sean apropiadas paraaplicaciones aeroespaciales.}

5. Inoxidables dúplex . Poseen una estructura que es una mezcla deaustenita y ferrita en cantidades aproximadamente iguales. Su resistencia ala corrosión es similar a los grados austeníticos y muestran resistenciamejorada al agrietamiento por esfuerzo-corrosión. Las aplicaciones incluyen


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intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguasresiduales.

Aceros para herramientas Los aceros para herramientas son una clase (por logeneral) altamente aleada diseñada para su uso en herramientas de corteindustriales, troqueles y moldes. Para desempeñarse en esas aplicaciones debenposeer resistencia elevada, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste ytenacidad a los impactos. Para obtener estas propiedades los aceros paraherramienta se tratan térmicamente. Las razones principales para los niveles altosde elementos de aleación son: 1) dureza mejorada, 2) distorsión reducida duranteel tratamiento con calor, 3) dureza en caliente, 4) formación de carburos metálicosduros para que sean resistentes a la abrasión, y 5) tenacidad mejorada.

Los aceros para herramientas se dividen en tipos de acuerdo con la aplicación ycomposición. La AISI utiliza un esquema de clasificación que incluye un prefijo deuna letra para identificar el acero para herramienta. En la lista de la tabla 6.5 quesigue, se mencionan esos tipos de acero, se identifica el prefijo y se presentanalgunas composiciones comunes.

Los aceros para herramientas no son los únicos materiales para ellas. Los acerosal carbono, de baja aleación e inoxidables se emplean para muchas aplicacionesde herramientas y troqueles. Los hierros colados y ciertas aleaciones no ferrosastambién son apropiados para algunas aplicaciones de herramientas. Además,varios materiales cerámicos (por ejemplo, Al2O3) se usan como inserciones

cortantes de alta velocidad, abrasivos y otro tipo de herramientas.El hierro colado es una aleación de hierro que contiene de 2.1% a 4% decarbono, y de 1% a 3% de silicio. Su composición lo hace muy apropiado comometal de fundición. En realidad, el peso en toneladas de los artículos de hierrocolado es varias veces el de todas las demás piezas de metales fundidoscombinados (con excepción de los lingotes que se fabrican durante la producciónde acero y que posteriormente son rolados en forma de barras, láminas y otrasformas similares).El peso total en toneladas del hierro colado ocupa el segundo lugar, pero sólo conrespecto al acero entre todos los metales. Entre los diversos tipos de hierrocolado, el más importante es el gris. Otros tipos incluyen el hierro dúctil, el hierrocolado blanco, el hierro maleable y varios hierros colados de aleaciones.Hierro colado gris Éste tiene el tonelaje mayor entre los hierros colados. Tieneuna composición que va de 2.5% a 4% de carbono y de 1% a 3% de silicio. Esta


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química da como resultado la formación de escamas de grafito (carbono)distribuidas en todo el cuerpo fundido hasta que se solidifica. La estructura

ocasiona que la superficie del metal adquiera un color.

Hierro dúctil Este es un hierro con la composición del gris en el que el metalfundido recibe tratamiento químico antes de vaciarlo para ocasionar la formaciónde esferoides de grafito en lugar de escamas. Esto da como resultado un hierromás dúctil y fuerte, de ahí su nombre. Las aplicaciones incluyen componentes demaquinaria que requieren resistencia elevada y buena resistencia al desgaste.

Hierro colado blanco Este hierro colado tiene menos carbono y silicio que el gris.Se forma por un enfriamiento más rápido del metal fundido después del vertido, loque hace que el carbono permanezca en combinación química con el hierro en

forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse de la solución en forma deescamas. Cuando se fractura, la superficie adquiere, una apariencia cristalinablanca que le da su nombre al hierro. Debido a la cementita, el hierro fundidoblanco es duro y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. La resistencia esbuena, con un valor común de TS de 276 MPa (40 000 lb/in2). Estas propiedadeshacen que el hierro colado blanco sea apropiado para aplicaciones en las que serequiere resistencia al desgaste. Un buen ejemplo son las zapatas de los frenosde un ferrocarril.

Hierro maleable Cuando las piezas fundidas de hierro colado blanco se tratantérmicamente para separar el carbono de la solución y formar agregados de

grafito, el metal que resulta se llama hierro maleable. La microestructura nuevaposee ductilidad sustancial (hasta 20% de elongación), una diferencia significativacon el metal a partir del cual se transformó. Los productos comunes hechos dehierro colado maleable, incluyen ajustes y bisagras para tubos, ciertoscomponentes de máquina y piezas de equipo ferroviario.

Hierros de aleaciones fundidas Los hierros colados pueden estar aleados parabuscar propiedades y aplicaciones especiales. Estas aleaciones de hierro coladose clasifican como sigue: 1) tipos tratables térmicamente que pueden endurecersepor medio de la formación de martensita; 2) tipos resistentes a la corrosión, cuyoselementos de aleación incluyen níquel y cromo, y 3) tipos resistentes al calor que

contienen proporciones elevadas de níquel para tener dureza en caliente yresistencia a la oxidación por alta temperatura.


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Los metales no ferrosos incluyen elementos y aleaciones metálicas que no sebasan en el hierro. Los metales más importantes de la ingeniería en el grupo de

los no ferrosos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el titanio y el zinc,así como sus aleaciones.

Aunque los metales no ferrosos como grupo no igualan la resistencia de losaceros, ciertas aleaciones no ferrosas tienen resistencia a la corrosión orelaciones resistencia/peso que las hacen competitivas ante los aceros paraaplicaciones con esfuerzos moderados a altos. Además, muchos de los metalesno ferrosos tienen propiedades adicionales a las mecánicas que los hacen idealespara aplicaciones en las que el acero sería inapropiado. Por ejemplo, el cobretiene una de las resistividades más bajas entre los metales, y se usa ampliamentepara fabricar conductores eléctricos. El aluminio es un conductor térmico

excelente, y sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor y trastos decocina. También es uno de los metales a los que se le da forma con mayorfacilidad y por esa razón se le valora mucho. El zinc tiene un punto de fusiónrelativamente bajo, por lo que se le utiliza de manera amplia en las operaciones defundición a troquel. Los metales no ferrosos comunes tienen su propiacombinación de propiedades que los hacen atractivos para una variedad deaplicaciones. En las siguientes nueve secciones se estudian aquellos que son losmás importantes en lo comercial y tecnológico.

El aluminio y el magnesio son metales ligeros y por esta característica esfrecuente que se les especifique en aplicaciones de ingeniería. Ambos elementos

abundan en nuestro planeta, el aluminio en la tierra y el magnesio en el mar,aunque ninguno se extrae con facilidad de su estado natural.1) Una descripción breve de la forma en que se produce el aluminio, y 2) un

análisis de las propiedades y sistema de nomenclatura para el metal y susaleaciones.

Propiedades y esquema de nomenclatura El aluminio tiene muchaconductividad eléctrica y térmica, y su resistencia a la corrosión es excelentedebido a la formación de una película superficial de óxido, delgada y dura. Es unmetal muy dúctil y es notable la capacidad que tiene para adquirir la formadeseada. El aluminio puro tiene resistencia relativamente baja, pero se puede

alear y tratar térmicamente para competir con ciertos aceros, en especial cuandoel peso es una consideración importante.


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El magnesio (Mg) es el más ligero de los metales estructurales. Su gravedadespecífica y otros datos básicos se presentan en la tabla 6.1c ). El magnesio y sus

aleaciones se encuentran disponibles tanto en forma forjada como fundida. Esrelativamente fácil de maquinar. Sin embargo, en todo procesamiento delmagnesio, las partículas pequeñas del metal (tales como astillas metálicaspequeñas procedentes del corte) se oxidan con rapidez, por lo que debe tenersecuidado para evitar el peligro de incendio.

Propiedades y esquema de nomenclatura Como metal puro, el magnesio esrelativamente suave y carece de la resistencia suficiente para la mayor parte delas aplicaciones de la ingeniería. Sin embargo, se puede alear y tratartérmicamente para que alcance resistencias comparables a las de las aleacionesdel aluminio. En particular, su relación resistencia-peso es una ventaja en los

aviones y componentes de misiles.

En muchos aspectos, el níquel (Ni) es similar al hierro. Es magnético y su módulode elasticidad es virtualmente el mismo que el del hierro y el acero. Sin embargo,es mucho más resistente a la corrosión y las propiedades de alta temperatura desus aleaciones por lo general son superiores. Debido a sus características deresistencia a la corrosión, se usa mucho como elemento de aleación en el acero,como en los aceros inoxidables, y como metal de recubrimiento de otros metales,como el acero al carbono.

Producción de níquel El mineral de níquel más importante es la pent landi ta ((Ni,

Fe) 9S8). Para extraer el níquel, primero se tritura el mineral mezclado con agua. A fin de separar los sulfuros de los demás minerales de la mena se utilizantécnicas de flotación. Después, se calienta el sulfuro de níquel para quemar algodel azufre, y luego se funde con el fin de eliminar hierro y silicio. Se refina más enun convertidor del tipo Bessemer para obtener sulfuro de níquel (NiS) de altaconcentración. Después se aplica electrólisis para recuperar níquel de alta purezaa partir del compuesto. En ocasiones, los minerales de níquel se mezclan conotros de cobre, en cuyo caso la técnica de recuperación que se acaba de describirtambién produce cobre.

Aleaciones de níquel Las aleaciones de níquel tienen importancia comercial por

sí mismas, y son notables por su resistencia a la corrosión y desempeño a altastemperaturas.


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El titanio (Ti) es abundante en la naturaleza, constituye cerca del 1% de la cortezaterrestre (el 8% corresponde al aluminio, el que abunda más). La densidad del

titanio está entre la del aluminio y la del hierro; éste y otros datos se presentan enla tabla 6.1f ). En las últimas décadas su importancia ha crecido debido a susaplicaciones aeroespaciales, en las que se aprovechan su peso ligero y razónresistencia-peso buena.

Producción de titanio Los minerales principales del titanio son el rut i lo , que estáformado por 98% a 99% de TiO2, y la i lmeni ta , que es una combinación de FeO yTiO2. El rutilo es preferible como mena debido a su mayor contenido de Ti. En larecuperación del metal a partir de sus minerales, el TiO2 se convierte entetracloruro de titanio (TiCl4) por medio de hacer reaccionar al compuesto concloro gaseoso. A esto sigue una secuencia de etapas de destilación para eliminar

las impurezas. Luego se reduce el TiCl4 muy concentrado a titanio metálico, conuna reacción con magnesio; esto se conoce como proceso Kro l l . Como agentereductor también puede usarse sodio. En cualquier caso, debe mantenerse unaatmósfera inerte para impedir que el O2, N2 o H2 contaminen al Ti por su granafinidad con esos gases. El metal resultante se emplea para fundir lingotes delmetal y sus aleaciones.

Propiedades del titanio El coeficiente de expansión térmica del titanio esrelativamente bajo entre los metales. Es más rígido y fuerte que el aluminio, y aaltas temperaturas conserva buena resistencia. El titanio puro es reactivo, lo queda problemas durante el procesamiento, en especial en estado fundido. Sin

embargo, a temperatura ambiente forma una película delgada de óxido (TiO2)adhesivo que recubre y proporciona una resistencia excelente contra la corrosión.

Estas propiedades han dado lugar a dos áreas principales de aplicación del titanio:1) En estado puro comercial, el Ti se emplea para hacer componentes resistentesa la corrosión, tales como elementos marinos e implantes ortopédicos; y 2) lasaleaciones de titanio se emplean como componentes de resistencia elevada entemperaturas que van de la del ambiente a 550 ºC (1 000 ºF), en especial en lasque se aprovecha su excelente razón resistencia-peso. Estas aplicacionesrecientes incluyen componentes de aeronaves y mísiles. Algunos de los elementosde aleación que se utilizan con el titanio incluyen aluminio, manganeso, estaño y

vanadio. En la tabla 6.13 se presentan algunas composiciones y propiedadesmecánicas de varias de sus aleaciones.


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Producción de zinc La blenda de zinc o esfaler i ta es el mineral principal del zinc;contiene sulfuro de zinc (ZnS). Otras menas importantes de zinc incluyen la

smi thsoni ta , que es carbonato de zinc (ZnCO3), y hemimor fato , que es silicatohidroso de zinc (Zn4Si2O7OHH 2O).

La esfalerita debe concentrarse (o beneficiarse , en el argot metalúrgico) debido ala cantidad tan pequeña de sulfuro de zinc que contiene. Esto se lleva a cabo pormedio de triturar, en primer lugar, al mineral, luego se muele con agua en unmolino de balines para crear una pasta aguada. En presencia de un agenteespumante, la pasta aguada se agita de modo que las partículas de mineral flotanen la superficie y se pueden retirar (se separan de los minerales pesados de laparte inferior). Después, el sulfuro de zinc más concentrado se calienta a 1 260 ºC(2 300 ºF), de modo que con la reacción se forma óxido de zinc (ZnO).

Hay varios procesos termoquímicos para recuperar el zinc de ese óxido, todos losCuales lo reducen por medio de carbono. El carbono se combina con el oxígenodel ZnO para formar CO y CO2, lo que libera Zn en forma de vapor que secondensa para producir el metal deseado.

También se usa mucho un proceso electrolítico, responsable de alrededor de lamitad de la producción mundial de zinc. Dicho proceso también comienza con lapreparación de ZnO, que se mezcla con ácido sulfúrico diluido (H2SO4), seguidode electrólisis para separar la solución de sulfato de zinc (ZnSO4) resultante yproducir el metal puro.

Aleaciones y aplicaciones del zinc Las aleaciones del zinc se utilizan mucho enfundición a troquel para producir componentes en masa para las industriasautomotriz y de aparatos. Otra aplicación mayor del zinc se tiene en el acerogalvanizado. Como el nombre lo sugiere, se crea una celda galvánica en el acerogalvanizado (el Zn es el ánodo y el acero el cátodo) que lo protege del ataque dela corrosión. Por último, el tercer uso importante del zinc es para producir latón.Como ya se dijo, esa aleación consiste en cobre y zinc, en la razón de 2/3 de Cu y1/3 de Zn, aproximadamente.

Es frecuente que el plomo (Pb) y el estaño (Sn) se estudien juntos debido a sus

temperaturas de fusión bajas, y porque forman aleaciones para soldar que seemplean para hacer conexiones eléctricas.


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El plomo es un metal denso con punto de fusión bajo; otras de sus propiedadesson resistencia baja, poca dureza (la palabra “suave” es apropiada para

describirlo), ductilidad alta y buena resistencia a la corrosión. Además de suempleo como soldadura, las aplicaciones del plomo y sus aleaciones incluyen lassiguientes: tubos para plomería, rodamientos, municiones, metales tipográficos,protección contra rayos X, baterías de almacenamiento y amortiguamiento devibraciones. También se utiliza mucho en productos químicos y pinturas. Loselementos de aleación principales para el plomo son estaño y antimonio.

El estaño tiene un punto de fusión aún más bajo que el del plomo; otraspropiedades incluyen resistencia baja, poca dureza y ductilidad buena. El uso mástemprano del estaño fue para hacer bronce, aleación que consistía en cobre yestaño creada alrededor de 3000 a.C. en Mesopotamia y Egipto. El bronce aún es

una aleación de importancia comercial (aunque su importancia relativa hadeclinado a lo largo de 5000 años). Otros usos del estaño son para recubrircontenedores de lámina de acero (“latas de estaño”) para almacenar comida y, porsupuesto, como metal de soldadura.

Los metales refractar ios son aquellos capaces de soportar temperaturaselevadas. Los más importantes de este grupo son el molibdeno y el tungsteno.Otros metales refractarios son el columbio (Cb) y el tantalio (Ta). En general, estosmetales y sus aleaciones pueden conservar una resistencia y dureza elevadas atemperaturas altas.

El molibdeno tiene un punto de fusión alto y es relativamente denso, rígido yfuerte. Se usa como metal puro (99.9% + % Mo) y como aleación. La aleaciónprincipal es TZM, que contiene cantidades pequeñas de titanio y zirconio (menosde 1% del total). El Mo y sus aleaciones poseen buena resistencia a altatemperatura, y a esto se deben sus tantas aplicaciones, que incluyen escudoscontra el calor, elementos de calefacción, electrodos para soldadura porresistencia, troqueles para trabajos a altas temperaturas (por ejemplo, moldespara fundición a troquel) y piezas para motores de cohete y a reacción. Ademásde estas aplicaciones, el molibdeno también se emplea mucho como ingredientede aleación de otros metales, como aceros y súper-aleaciones.

El tungsteno (W) tiene el punto de fusión más alto de todos los metales puros y esuno de los más densos. Es también el más rígido y duro de todos los metalespuros. Su aplicación más conocida es el filamento de los focos incandescentes. Escomún que las aplicaciones del tungsteno se caractericen por temperaturas de


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operación elevadas, tales como elementos para cohetes y motores a reacción, yelectrodos de soldadura con arco. También se utiliza mucho como elemento de

aleaciones de aceros para herramientas, resistentes al calor, y para el carburo detungsteno.

Una desventaja grande tanto del Mo como del W es su propensión a oxidarse atemperaturas elevadas, por arriba de los 600 ºC (1 000 ºF), con lo que seperjudican sus propiedades de alta temperatura. Con el fin de superar estadeficiencia, deben emplearse recubrimientos protectores para estos metales en lasaplicaciones de alta temperatura, o bien operar las piezas metálicas en un vacío.Por ejemplo, el filamento de tungsteno debe energizarse en el vacío interior de losfocos.

Los metales preciosos, también llamados metales nobles debido a que soninactivos en cuanto a la química, incluyen el oro, platino y plata. Son metalesatractivos, disponibles en cantidades limitadas, y a través de la historia de lascivilizaciones se han empleado para acuñar monedas y respaldar el papelmoneda. También se les usa mucho en joyería y aplicaciones similares queaprovechan su alto valor. Como grupo, los metales preciosos poseen densidadelevada, ductilidad buena, conductividad eléctrica alta, resistencia a la corrosión ytemperaturas de fusión moderadas.

El oro (Au) es uno de los metales más pesados; es suave y se le da forma confacilidad, y posee un color amarillo distintivo que le agrega valor. Además de la

moneda y joyería, sus aplicaciones incluyen contactos eléctricos (debido a subuena conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión), trabajos dentales yrecubrimiento de metales comunes para fines decorativos.

El plat ino (Pt) es el único metal (entre los comunes) cuya densidad es mayor quela del oro. Aunque no se usa tanto como éste, sus aplicaciones son diversas eincluyen la joyería, termopares, contactos eléctricos y equipo catalítico para elcontrol de la contaminación de los automóviles.

La plata (Ag) es menos cara por unidad de peso que el oro o el platino. Noobstante, su atractivo lustre “plateado” la hace un metal muy valioso para

monedas, joyería y vajillas (que incluso adoptan el nombre del metal: “platería”). También se emplea como relleno en trabajos dentales. La plata tiene laconductividad eléctrica más elevada que cualquier metal, lo que la hace útil paracontactos en aplicaciones electrónicas. Por último, debe mencionarse que el


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cloruro de plata y otros haluros del metal sensibles a la luz son la base de lafotografía.

Las superaleaciones constituyen una categoría que encuadra a los metalesferrosos y no ferrosos. Algunas de ellas están basadas en el hierro, mientras otraslo están en el níquel y el cobalto. En realidad, muchas de las superaleacionescontienen cantidades sustanciales de tres o más metales, en lugar de un solometal base más elementos de aleación. No obstante que el tonelaje de estosmetales no es significativo en comparación con la mayoría de los demás metalesque se han estudiado en este capítulo, tienen importancia comercial porque sonmuy caros; y también la tienen en cuanto a tecnología por lo que hacen.

Las superaleaciones son un grupo de aleaciones de alto rendimiento diseñadas

para satisfacer requerimientos muy exigentes de fortaleza y resistencia a ladegradación de su superficie (corrosión y oxidación) a varias temperaturas de uso.Para estos metales, la resistencia a la temperatura ambiente convencional no esun criterio importante, y la mayoría de ellos tiene propiedades al respecto que sonbuenas pero no extraordinarias. Lo que los distingue es su desempeño antetemperaturas elevadas; las propiedades mecánicas de interés son su resistencia ala tensión, dureza en caliente, resistencia al agrietamiento, y a la corrosión atemperaturas muy elevadas. Es frecuente que las temperaturas de operaciónestén en la cercanía de los 1 100 ºC (2 000 ºF). Estos metales se emplean muchoen sistemas de turbinas de gas, motores a reacción y de cohetes, turbinas devapor, y plantas de energía nuclear, en los que la eficiencia de operación se

incrementa con las temperaturas elevadas.Por lo general, las superaleaciones se dividen en tres grupos, de acuerdo con suconstituyente principal: hierro, níquel o cobalto.

Aleaciones basadas en el hierro . Como ingrediente principal tienen hierro,aunque en ciertos casos éste es menor de 50% de la composición total.

Aleac ion es b asadas en el níqu el . Por lo general tienen mejor resistencia alas temperaturas altas que los aceros aleados. El níquel es el metal base.Los elementos principales de la aleación son el cromo y el cobalto; otros

menores son el aluminio, titanio, molibdeno, niobio (Nb) y hierro. Algunosnombres familiares en este grupo son los de Inconel, Hastelloy y Rene 41.


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Aleaciones basadas en el cobal to . Tienen al cobalto (alrededor del 40%)y cromo (quizá el 20%) como sus componentes principales. Otros

elementos de la aleación incluyen al níquel, molibdeno y tungsteno.

En prácticamente todas las superaleaciones, inclusive las basadas en hierro, eldarle resistencia se lleva a cabo mediante endurecimiento por precipitación. Lassuperaleaciones con base en el hierro no usan la formación de martensita paraobtener su resistencia.

Se dispone de una variedad amplia de procesos de manufactura para dar forma alos metales, mejorar sus propiedades, ensamblarlos y darles un acabado estéticoy protector.Dar forma, ensamblar y procesos de acabado Los metales reciben su forma por

medio de todos los procesos básicos, inclusive fundición, metalurgia de polvos,procesos de deformación y remoción de material. Además, las piezas metálicas seunen para formar ensambles por procesos tales como soldadura autógena,soldadura dura y soldadura suave, y sujeción mecánica. El tratamiento térmico selleva a cabo para mejorar las propiedades. Y es común que los procesos deacabado se utilicen para mejorar la apariencia de las piezas metálicas o para darprotección contra la corrosión. Estas operaciones de acabado incluyen lagalvanoplastia y la pintura.

Mejoramiento de las propiedades mecánicas de los metales Las propiedadesmecánicas de los metales se alteran por medio de cierto número de técnicas. En

el estudio de los distintos metales se ha hecho referencia a algunas de éstas. Losmétodos para mejorar las propiedades mecánicas de los metales se agrupan entres categorías: 1) aleación, 2) trabajo en frío, y 3) tratamiento térmico. Laaleación se ha estudiado en todo el capítulo presente y es una técnica importantepara dar resistencia a los metales. Al tr abajo en frío se había hecho referenciacomo endurecimiento por deformación; su efecto es incrementar la resistencia yreducir la ductilidad. El grado en que estas propiedades mecánicas se venafectadas depende de la cantidad de deformación y del exponente deendurecimiento por deformación en la curva de flujo. El trabajo en frío se utilizatanto en metales puros como en aleaciones. Se realiza durante la deformación delelemento de trabajo a través de uno de los procesos para dar forma, por ejemplo

rolado, forjado o extrusión. Entonces, el dar resistencia a los metales ocurre comosubproducto de la operación de darles forma.


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El tr atam ien to térm ico se refiere a varios tipos de ciclos de calentamiento yenfriamiento que se ejecutan sobre un metal para cambiar en forma benéfica sus

propiedades. Operan con la alteración de la microestructura básica del metal, quea su vez determina las propiedades mecánicas.

Entre los materiales de la Ingeniería también podemos destacar a los cerámicos,por lo general se considera que los metales son la clase más importante demateriales dela ingeniería. Sin embargo, es de interés observar que en realidadlos materiales cerámicos son más abundantes y se utilizan más. En esta categoríase encuentran incluidos los productos de arcilla (por ejemplo, ladrillos y vajillas),vidrio, cemento y materiales cerámicos más modernos tales como el carburo detungsteno y el nitruro cúbico de boro

La importancia de los cerámicos como materiales de la ingeniería se deriva de suabundancia en la naturaleza y sus propiedades mecánicas y físicas, que son muydiferentes de las de los metales. Un material cerám ico es un compuestoinorgánico que consiste en un metal (o semimetal) y uno o más no metales. Lapalabra cerámic a proviene del griego keramos , que significa arcilla de vasijas otrastos hechos de barro* cocido.

La importancia tecnológica y comercial de los materiales cerámicos quedademostrada por la variedad de productos y aplicaciones que se basan en esaclase de materiales. La lista incluye los siguientes:

Produc tos d e arc i l la para la construcc ión, tales como ladrillos, tubos dearcilla y mosaicos para la construcción.

Cerám ico s refr actario s, capaces de utilizarse en aplicaciones de altatemperatura tales como muros de hornos, crisoles y moldes.

Cemento para conc reto, se emplea para la construcción y carreteras (elconcreto es un material compuesto, pero sus componentes son materialescerámicos).

Produ cto s d e línea b lanc a, incluyen vajillas, cerámica de gres, porcelana

china, fina y otros artículos de mesa, con base en mezclas de arcilla y otrosminerales.


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Vidrio, se utiliza en botellas, anteojos, lentes, cubiertas para ventanas yfocos.

Fibras de vidr io, para lana aislante térmica, plásticos reforzados (fibra devidrio) y líneas de comunicación de fibras ópticas.

Abrasivos, tales como óxido de aluminio y carburo de silicio.

Herramien tas para cor tar materiales, que incluyen carburo de tungsteno,óxido de aluminio y nitruro de boro cúbico.

Ais lantes cerámi co s, que se emplean en aplicaciones tales comocomponentes de transmisión eléctrica, encendedores y sustratos de chips

para la microelectrónica.

Cerám ic os magnético s , por ejemplo, en memorias de computadora.

Comb ust ibles nu cleares, con base en óxido de uranio (UO2).

B iocerám icas , incluyen materiales que se usan para hacer dientes yhuesos artificiales.

Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos.

Éstos son más fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a ladureza y rigidez alta pero ductilidad baja de los materiales cerámicos. Así como lapresencia de electrones libres en el enlace metálico explica por qué los metalesson buenos conductores del calor y la electricidad, la presencia de electronesestrechamente empacados en las moléculas de las cerámicas explica el que estosmateriales sean malos conductores. El enlace fuerte también da a estosmateriales temperaturas de fusión altas, aunque en este caso algunas cerámicasse descomponen, en lugar de fundirse.

La mayoría de los materiales cerámicos adoptan estructura cristalina. Por logeneral, sus estructuras son más complejas que las de la mayoría de los metales.

Hay varias razones para ello. En primer lugar, las moléculas de los cerámicosconsisten en general en átomos que son de tamaño significativamente distinto. Ensegundo, es frecuente que las cargas de los iones sean muy diferentes, como en


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muchas de los cerámicos comunes tales como el SiO2 y el Al2O3. Estos dosfactores tienden a forzar un arreglo físico más complicado de los átomos de la

molécula y en la estructura cristalina resultante. Además, muchos materialescerámicos consisten en más de dos elementos, tales como él (Al2Si2O5 (OH)4), loque también lleva a una complejidad mayor de la estructura molecular. Lascerámicas cristalinas son cristales aislados o sustancias policristalinas. En lasegunda forma, más común, las propiedades físicas y mecánicas se ven afectadaspor el tamaño del grano; los materiales de grano fino alcanzan resistencia y rigidezmayores.

Algunos materiales cerámicos tienden a adoptar una estructura amorfa o fasevítrea , en vez de la forma cristalina. El ejemplo más familiar es, por supuesto, elvidrio. En cuanto a su química, la mayor parte de vidrios consisten en sílice

fundido. Si se agregan otros materiales cerámicos vítreos tales como óxidos dealuminio, boro, calcio y magnesio, se obtienen variaciones de sus propiedades ycolores. Además de estos vidrios puros, muchos cerámicos que tienen unaestructura cristalina aprovechan la fase vítrea como aglutinante para su fasecristalina.

En teoría, la resistencia de los materiales cerámicos debiera ser más alta que lade los metales debido a su enlace atómico. Los tipos de enlace covalente e iónicoson más fuertes que el metálico. Sin embargo, el enlace metálico tiene la ventajade que permite el deslizamiento, mecanismo básico por el que los metales sedeforman plásticamente cuando se les sujeta a esfuerzos elevados. Los enlaces

en los materiales cerámicos son más rígidos y no permiten el deslizamiento anteesfuerzos. Su incapacidad para deslizarse hace mucho más difícil que loscerámicos absorban esfuerzos. Pero los materiales cerámicos contienen lasmismas imperfecciones en su estructura cristalina que los metales: vacíos,intersticios, átomos desplazados y grietas microscópicas. Estos defectos internostienden a concentrar los esfuerzos, en especial cuando se involucra una carga portensión, flexión o impacto. Como resultado de estos factores, los cerámicos fallancon mucha mayor facilidad que los metales por fractura quebradiza si se les aplicauna fuerza. Su resistencia a la tensión y tenacidad es relativamente baja.

Asimismo, su desempeño es mucho menos predecible debido a la naturalezaaleatoria de las imperfecciones y la influencia de las variaciones en su

procesamiento, en especial en los productos elaborados con cerámicostradicionales.


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Las debilidades que limitan la resistencia a la tensión de los materiales cerámicoscasi no se presentan cuando se aplican esfuerzos compresivos. Los materiales

cerámicos son sustancialmente más fuertes ante la compresión que ante latensión. Para aplicaciones de ingeniería y estructurales, los diseñadores hanaprendido a usar componentes cerámicos de modo que reciban por compresiónen lugar de por tensión o flexión.

Las conductividades térmica y eléctrica de la mayoría de los cerámicos sonmenores que las de los metales; pero el rango de valores es mayor, lo que permiteque ciertos cerámicos se utilicen como aislantes, en tanto que otras sonconductores eléctricos. Sus coeficientes de expansión térmica son algo menoresque los de los metales, pero los efectos son más dañinos en los cerámicos debidoa su fragilidad. Los materiales cerámicos con conductividades térmicas bajas y

expansiones térmicas relativamente altas, son susceptibles en especial a fallas deese tipo, lo que resulta de gradientes de temperatura y cambios volumétricossignificativos en regiones diferentes de la misma pieza. Los términos choque térm ico y agr ietam ien to térm ico se emplean en relación con esas fallas. Ciertosvidrios (por ejemplo los que contienen proporciones elevadas de SiO2) ycerámicos vítreos son notables debido a su expansión térmica baja y sonresistentes en particular a las fallas térmicas (un ejemplo familiar es el vidrioPirex ).

Estos materiales se basan en silicatos minerales, sílice y óxidos minerales. Losproductos principales son el barro cocido (vasijas, vajillas, ladrillos y mosaicos),

cemento y abrasivos naturales tales como la alúmina. Estos productos, y losprocesos que se utilizan para fabricarlos, se remontan a miles de años. El vidriotambién es un material cerámico y con frecuencia se le incluye en el grupo de losmateriales cerámicos tradicionales. En una sección posterior se estudia al vidriodebido a que su estructura vítrea o amorfa lo diferencia de los materialescristalinos mencionados (el término vítreo significa vidrioso, o que poseecaracterísticas del vidrio).

Los silicatos minerales, tales como las arcillas de distintas composiciones, y elsílice, como el cuarzo, se encuentran entre las sustancias más abundantes en lanaturaleza, y constituyen las materias primas principales de los materiales

cerámicos tradicionales. Estos compuestos sólidos cristalinos se formaron ymezclaron en la corteza terrestre a lo largo de millones de años, por medio deprocesos geológicos complejos.


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Las arcillas son las materias primas que se emplean más en los cerámicos.Consisten en partículas finas de silicatos de aluminio hidratados que se

transforman en una sustancia plástica deformable y moldeable si se les mezclacon agua. Las arcillas más comunes se basan en el mineral caol ini ta (Al2Si2O5(OH)4). La composición de otros minerales de arcilla varía tanto en proporcionescomo en ingredientes básicos y contenido de otros elementos tales comomagnesio, sodio y potasio.

Además de la plasticidad que adquiere cuando se mezcla con agua, una segundacaracterística de la arcilla que la hace muy útil, es que se convierte en un materialfuerte y denso cuando se calienta a una temperatura suficientemente elevada. Eltratamiento con calor se conoce como cocimiento . Las temperaturas que sonadecuadas para el cocimiento dependen de la composición de la arcilla. Así,

puede darse forma a la arcilla cuando está húmeda y suave, y luego se cuecepara obtener el producto final de cerámica dura.

El sílice (SiO2) es otra materia prima importante para los cerámicos tradicionales.Es el componente principal del vidrio e ingrediente principal de otros productos decerámica que incluyen vajillas, refractarios y abrasivos. El sílice existe en lanaturaleza en varias formas, la más importante de ellas es el cuarzo . La fuenteprincipal del cuarzo es la arenisca . La abundancia de arenisca y la facilidadrelativa de su procesamiento significan.

Vasijas y vajillas Esta categoría es una de las más antiguas, tiene miles de años

de antigüedad; aún es una de las más importantes. Incluye productos de vajillasque toda la gente usa: vasijas de barro, cerámica de gres y porcelana. La materiaprima de estos productos es la arcilla, por lo general combinada con otrosminerales tales como sílice y feldespato. A la mezcla húmeda se le da forma ydespués se cuece para producir la pieza terminada.

La de barro es la menos refinada del grupo; incluye vasijas y productos similareshechos en tiempos antiguos. La de barro es relativamente porosa y con frecuenciaglaseado.

El glaseado involucra la aplicación de un recubrimiento superficial, por lo general

una mezcla de óxidos tales como sílice y alúmina, para hacer que el producto seamenos permeable a la humedad y más atractivo a la vista.


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La cerámica de gr es tiene menor porosidad que el barro, lo que resulta de uncontrol más estrecho de los ingredientes y temperaturas de cocción más elevadas.

La porcelana se hornea a temperaturas aún mayores, lo que da a las piezasterminadas una superficie translúcida característica de su alta calidad. La razón deesto es que gran parte del material cerámico ha sido convertido a la fase vítrea (seha vitrificado), lo que lo hace transparente en comparación con la formapolicristalina. La porcelana moderna casi es la misma que la de China, y seproduce por medio de hornear los componentes, sobre todo arcilla, sílice yfeldespato, a temperaturas aún más elevadas para obtener un material vítreo,denso y muy duro. La porcelana se utiliza en una variedad de productos que vandel aislamiento eléctrico a los recubrimientos de bañeras.

Ladrillos y azulejos Los ladrillos para la construcción, tubería de arcilla, tejas noglaseadas para techos y mosaicos para drenajes, están hechos de distintasarcillas de bajo costo que contienen sílice y materiales arenosos que existen endepósitos naturales distribuidos con amplitud. Estos productos reciben su formapor presión (moldeo) y se cuecen a temperaturas relativamente bajas.

Refractarios Los refractarios cerámicos con frecuencia tienen la forma deladrillos, son críticos en muchos procesos industriales que requieren de hornos ycrisoles para calentar o fundir materiales. Las propiedades útiles de los materialesrefractarios son su resistencia a las temperaturas elevadas, aislamiento térmico yresistencia a la reacción química con materiales que se hornean (por lo general

metales fundidos). Como se dijo, no es raro que la alúmina se utilice comocerámica refractaria, junto con el sílice. Otros materiales refractarios incluyen losóxidos de magnesio (MgO) y de calcio (CaO). Es frecuente que la superficierefractaria tenga dos capas, y que la exterior sea más porosa porque esoincrementa las propiedades de aislamiento.

Abrasivos Los cerámicos tradicionales que se emplean para hacer productosabrasivos tales como ruedas de esmeril y papel de lija son la alúmina y elcarburo d e si l ic io . Aunque el SiC es más duro que aquélla (la dureza del SiC es2 600 HV versus 2 200 HV de la alúmina), la mayoría de esmeriles se basan en

Al2O3 debido a que da mejores resultados cuando se rebaja acero, que es el

metal más usado. Las partículas abrasivas (granos de cerámica) se distribuyen enla rueda por medio de algún material aglutinante como laca, resinas de polímeroso caucho.


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El término nu evo s cerám ico s se refiere a materiales cerámicos creados en formasintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de

procesamiento que dan un control mayor sobre las estructuras y propiedades delos cerámicos. En general, los nuevos cerámicos se basan en compuestosdistintos de silicato de aluminio en cantidades variables (el que constituye elgrueso de los materiales cerámicos tradicionales). Los nuevos cerámicos son porlo general más sencillos en cuanto a su química que los tradicionales; por ejemplo,óxidos, carburos, nitruros y boruros. La línea divisoria entre los cerámicostradicionales y los nuevos algunas veces no es muy clara, debido a que losprimeros incluyen al óxido de aluminio y al carburo de silicio. En esos casos, ladiferencia se basa más en los métodos de procesamiento que en la composiciónquímica.

El óxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina . Aunque tambiénse le estudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina seproduce en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico.Por medio del control del tamaño de las partículas e impurezas, mejoras en losmétodos de refinación y la mezcla de cantidades pequeñas de otros ingredientescerámicos, se mejora en forma sustancial la resistencia e inflexibilidad de laalúmina, en comparación con su contraparte natural. La alúmina también tienebuena dureza en caliente, baja conductividad térmica y alta resistencia a lacorrosión. Ésta es una combinación de propiedades que estimulan una variedadde aplicaciones, inclusive: abrasivos (esmeriles de arena), biocerámicos (huesos ydientes artificiales), aislantes eléctricos, componentes electrónicos, ingredientes

de aleación del vidrio, ladrillos refractarios, insertos para herramientas de corte,aislante de bujía y componentes de ingeniería.

Los carburos cerámicos incluyen los carburos de silicio (SiC), tungsteno (WC),titanio (TiC), tantalio (TaC) y cromo (Cr3C2). El carburo de silicio ya se estudió.

Aunque es un cerámico hecho por el hombre, los métodos para su producción sedesarrollaron hace un siglo, y por ello generalmente se le incluye en el grupo delos cerámicos tradicionales. Además de su empleo como abrasivo, otrasaplicaciones del SiC incluyen elementos de resistencia al calentamiento y aditivospara la fabricación de acero.

Se valora al WC, TiC y TaC, por su dureza y resistencia al desgaste enherramientas de corte y otras aplicaciones que requieren de esas propiedades. Elcarburo de tung steno fue el primero que se creó y es el material más importantey de mayor uso de su grupo. El WC se produce en forma común por medio de


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carburar polvos de tungsteno que han sido reducidos a partir de minerales detungsteno, tales como la wolframita (FeMnWO4) y la scheelita (CaWO4). El

carburo d e t itanio se produce con la carburación de los minerales rut i lo (TiO2) oi lmeni ta (FeTiO3). Y el carburo de tantalio se hace carburando ya sea polvos detantalio o pentóxido de tantalio (Ta2O5). El carburo de cromo es más apropiadopara aplicaciones en las que son importantes la estabilidad química y laresistencia a la oxidación. El Cr3C2 se prepara con la carburación del óxido decromo (Cr2O3) como componente inicial. En todas estas reacciones la fuenteusual de carbono es el negro de humo.

Las nitruros importantes para los cerámicos son el de silicio (Si3N4), el de boro(BN) y el de titanio (TiN). Como grupo, las cerámicas de nitruros son duras yfrágiles, y se funden a temperaturas altas (pero por lo general no tanto como las

de los carburos). Lo normal es que sean aislantes eléctricos el TiN es unaexcepción.

El ni truro d e si lic io promete en aplicaciones estructurales de alta temperatura. ElSi3N4 se oxida a alrededor de 1 200 ºC (2 125 ºF) y se descompone en cuanto asu química a los 1 900 ºC (3 400 ºF). Tiene baja expansión térmica, buenaresistencia al choque y al agrietamiento térmico, y resiste la corrosión de losmetales no ferrosos fundidos. Estas propiedades hacen a este cerámico apto paraaplicaciones en turbinas de gas, motores de cohete y crisoles para fundir.

El ni t ruro de boro existe en varias estructuras, en forma parecida al carbono. Las

formas importantes del BN son 1) hexagonal, similar al grafito, y 2) cúbica, como eldiamante; en realidad, su dureza es comparable a la del diamante. Esta últimaestructura se conoce con los nombres de ni truro d e boro cúbico y borazon , quese simboliza como cBN, y se produce por medio de calentar BN hexagonal encondiciones de presión muy elevada. Debido a su dureza extrema, lasaplicaciones principales del cBN son en herramientas de corte y los esmeriles. Esinteresante que no compita con las herramientas de corte y esmeriles hechos dediamante. Éste es apropiado para maquinar y esmerilar lo que no sea acero, entanto que el cBN es adecuado para trabajar el acero.

El ni truro d e t i tanio tiene propiedades similares a las de los demás nitruros del

grupo, excepto por su conductividad eléctrica, pues es conductor. El TiN tienedureza elevada, buena resistencia al desgaste y bajo coeficiente de fricción conlos metales ferrosos.


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El término vidr io es algo confuso porque describe tanto un estado de la materiacomo un tipo de cerámico. Como estado de la materia, se refiere a una estructura

amorfa, no cristalina, de un material sólido. El estado vítreo ocurre en un materialal que no se da tiempo suficiente para que al enfriarse a partir de la condición defundido se forme la estructura cristalina. Se concluye que las tres categorías de losmateriales de ingeniería (metales, cerámicos y polímeros) pueden adoptar elestado vítreo, aunque las circunstancias de los metales para ello son muy raras.

Como un tipo de cerámico, el v idr io es un compuesto inorgánico, no metálico (omezcla de compuestos) que se enfría hasta adquirir una condición rígida sincristalizar; es un cerámico que como material sólido está en estado vítreo.

El ingrediente principal en virtualmente todos los vidrios es el sílice (SiO2), que se

encuentra en forma común como cuarzo mineral en las areniscas y arenas sílicas.El cuarzo está presente en forma natural como sustancia cristalina, pero cuandose funde y luego se enfría, forma sílice vítreo. El vidrio de sílice tiene uncoeficiente de expansión térmica muy bajo, y por ello es muy resistente al choquetérmico. Estas propiedades son ideales para aplicaciones de temperaturaselevadas; en consecuencia, el vidrio Pirex y otros para uso químico que estándiseñados para calentarlos, se fabrican con proporciones elevadas de vidrio desílice.

Envases En tiempos pasados, se usaba la misma composición de cal y sosacáustica para el vidrio soplado en forma manual a fin de fabricar botellas y otrosenvases. Los procesos modernos para dar forma a los envases de vidrio, enfríanéste con más rapidez que los métodos antiguos. Asimismo, hoy día se entiendemejor la importancia de la estabilidad química de los envases de vidrio. Loscambios resultantes en la composición tratan de optimizar las proporciones de cal(CaO) y sosa (Na2O3). La cal facilita la fluidez. También incrementa ladesvitrificación, pero como el enfriamiento es más rápido, este efecto no es tanimportante como lo era para las técnicas de procesamiento anteriores, con tasasde enfriamiento más lentas. La reducción de la sosa disminuye la inestabilidadquímica y la solubilidad del vidrio del envase.

Vidrio para focos El vidrio que se usa para hacer focos y otros artículos de vidriodelgado (por ejemplo, copas, adornos navideños) tiene contenido alto de sosa ybajo de cal; también contiene cantidades pequeñas de magnesio y alúmina. Laquímica está dictada en mucho por la economía de los volúmenes grandes queimplica la manufactura de focos. Las materias primas no son caras en lo absoluto


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y sí apropiadas para los hornos de fundición continua que se utilizan en elpresente.

Vidrio de laboratorio Estos productos incluyen contenedores para productosquímicos (por ejemplo, matraces, vasos de precipitados, tubería de vidrio). Estevidrio debe ser resistente al ataque químico y el choque térmico. Es apropiado elvidrio con alto contenido de sílice debido a su baja expansión térmica. Para estaclase de vidrio se utiliza el nombre comercial de “Vycor”. Este producto es muyinsoluble en agua y ácidos. Al agregarle óxido bórico también produce un vidriocon coeficiente de expansión térmica bajo, por lo que algunos vidrios paralaboratorio contienen alrededor de 13% de B2O3. Para el vidrio de borosilicatocreado por Corning Glass Works, se emplea el nombre comercial “Pyrex”. TantoVycor como Pyrex están incluidos en la lista de ejemplos de esta categoría de

productos.

Fibras de vidrio Éstas se manufacturan para numerosas aplicacionesimportantes, inclusive plásticos de fibra de vidrio reforzada, lana aislante y fibraóptica. Las composiciones varían de acuerdo con la función. Las fibras de vidrioque se usan más para reforzar plásticos son las de vidrio E. Tiene un contenidoalto de CaO y Al2O3, es económico y en forma de fibra posee buena resistencia ala tensión. Otro material de fibra de vidrio es el vidrio S, que tiene resistenciamayor pero no es tan económico como el vidrio E. La lana aislante de fibra devidrio se manufactura a partir de vidrios regulares de sosacal-sílice. El producto devidrio para fibra óptica consiste en un núcleo largo y continuo de vidrio con índice

de refracción elevado rodeado por una envoltura de vidrio de refracción baja. Elvidrio interno debe tener una transmitancia muy alta para la luz a fin de realizarcomunicaciones a larga distancia.

Vidrios ópticos Las aplicaciones para estos vidrios incluyen lentes para anteojose instrumentos ópticos tales como cámaras, microscopios y telescopios. Parallevar a cabo su función, los vidrios deben tener índices de refracción distintos,pero cada uno de ellos debe ser de composición homogénea. Los vidrios ópticospor lo general se dividen en vidrios alboro y al plomo. El vidr io al boro tiene uníndice de refracción bajo, en tanto que el vidr io al p lomo contiene óxido de plomo(PbO) que le da un índice de refracción alto.

Los vid rio s-cerám ico s son una clase de material cerámico que se produce por laconversión de vidrio en una estructura policristalina por medio de tratamiento decalor. La proporción de la fase cristalina en el producto final por lo común varía


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entre 90% y 98%, y el resto es material vítreo sin convertir. Por lo general, eltamaño del grano está entre 0.1 y 1.0 μm (4 y 40 μ-in), lo que es significativamente

menor que el tamaño del grano de las cerámicas convencionales. Estamicroestructura fina hace que los vidrios-cerámicos sean mucho más fuertes quelos vidrios de los que se derivan. Asimismo, debido a su estructura cristalina, losvidrios-cerámicos son opacos (por lo general grises o blancos), y no claros.

La secuencia de procesamiento

Actividad 2 Mendez Espinosa Yolanda Yareni Materiales de La Ingenieria

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